CN115464153A - 一种基于3d打印的梯度硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于硬质合金制造领域，具体涉及一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法。该梯度硬质合金通过3D打印成型技术获得所需要的梯度结构硬质合金毛坯，然后经过真空烧结处理，制备得到表面具有梯度结构的梯度硬质合金。表面的梯度结构为钴含量从表面到芯部逐渐降低的富粘结相梯度层，该梯度层内钴含量显著高于合金芯部中标称钴含量。芯部钴含量为均匀分布且等于其标称含量。本发明结构设计合理，制备工艺简单可控，生产成本较低，可大规模的工业化生产和应用。

Description

一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明属于硬质合金制造领域，具体涉及一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法。
背景技术
硬质合金是一种以难熔金属化合物（WC，TiC，TaC，NbC等）为硬质相，以过渡族金属（Fe，Co，Ni）为粘结相，通过粉末烧结方法制备的一种合金材料。硬质合金具有较高的强度和硬度，耐磨性较好等优点，主要被用来制作刀具，广泛应用在切削加工领域。近年来，随着材料科学和机械加工行业的发展，采用硬质合金为基体的涂层刀具具有更好的耐磨性能和切削性能，适合高速连续切削条件下的应用。但是由于涂层与基体之间热膨胀系数不同，涂层刀具在制备和使用过程中，在涂层中会产生微裂纹，在使用过程中容易向基体内扩展造成刀具失效。因此，需要开发出能够提高基体表面抗裂纹扩展能力硬质合金基体材料。
表面富粘结相梯度硬质合金由于表面钴含量较高，韧性好，可以作为涂层刀具基体使用而受到较多关注。但目前制备表面富粘结相梯度硬质合金主要是向合金中添加碳氮化钛作为梯度形成组元，采用两步法烧结获得表面富粘结相梯度层。制备工艺较为复杂，且添加有其他碳氮化物，使得合金成本较高。因此，开发出一种制备表面富粘结相梯度硬质合金的新方法，降低合金的成本，对于提高梯度硬质合金的应用具有重要的意义，是未来硬质合金的发展趋势。
目前，3D打印成型技术，主要是采用选区电子束或激光熔融方法，以电子束或激光作为加热源，按照切片模型中规划好的路径在粉末床上进行逐层扫描，使硬质合金粉末发生一定程度的熔化、凝固成型，具有快速成型，形状可控等优点，在很多材料制备过程中有应用。
综上所述，对于涂层刀具用梯度结构硬质合金基体来说，要求表面是一层具有较高韧性的富粘结相梯度层，而芯部则是具有较高强硬度的均匀组织结构。因此，利用3D打印成型技术将硬质合金混合粉末颗粒根据所需梯度结构的打印成梯度硬质合金坯体，然后经过真空烧结术制备出具有表面富粘结相的梯度硬质合金基体，可以显著降低梯度结构硬质合金的制备工艺和生产成本。因此，本发明提出了一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是解决目前梯度硬质合金制备工艺复杂，生产成本较高，对形状复杂的零件制坯的难以把握，以及存在梯度结构不易控制、梯度层厚度不易掌控和制造周期长等不足。针对现有的问题。本发明提出一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，该发明适用于涂层刀具用梯度结构硬质合金基体的加工制造，可随时通过3D打印成型技术对梯度硬质合金的结构进行控制，因而缩短制造周期和节约材料，适合批量制造生产。
所述合金以WC为硬质相，以钴为粘结相，通过对合金成分的调控，先采用3D打印成型设备制得表面具有梯度结构的硬质合金毛坯，然后采用真空烧结处理，制备得到表面具有富粘结相梯度层的梯度硬质合金。
本发明所述合金的梯度层结构是富粘结相层，仅由WC和Co相组成，梯度层的厚度为10~1000μm。富粘结相层韧性较好，可以阻止裂纹扩展。芯部是具有标称WC和Co含量的硬质合金均匀组织。
本发明所述表面具有富粘结相梯度层的梯度硬质合金的制备工艺，按照以下步骤进行：
（1）按原料组分质量百分比进行配料：6~20%Co、0~0.5%金属钨粉和0~0.5%炭黑，余量为WC，各组分质量百分数之和为100%；
（2）将上述原料加入球磨机中进行湿磨，然后将湿磨后的浆料通过3D打印成型设备打印成型，获得梯度结构硬质合金毛坯；
（3）将梯度结构硬质合金毛坯进行真空烧结处理，制备得到表面具有富粘结相梯度层的梯度硬质合金；
上述技术方案中，优选添加的WC粉末的平均粒度为0.8~1.6μm，Co粉末的平均粒度为1.0μm，其余粉末的平均粒度为1μm。
上述技术方案中，优选所述步骤（2）中的球磨工艺为：加入1~60%（体积分数）PEG黏结剂以及1~60%（体积分数）乙醇后进行球磨，球料比为（5~15）:1，转速为10~200r/min，湿磨时间为10~100h。
上述技术方案中，优选所述步骤（2）中的3D打印成型技术工艺为：采用3D打印成型设备根据硬质合金表面梯度结构设计，编程后通过计算机控制3D打印成型设备获得表面具有梯度结构的硬质合金毛坯。
上述技术方案中，优选所述步骤（3）中真空烧结具体方法为：将成型后的梯度结构硬质合金毛坯置于真空炉中，将真空炉抽真空到10-2~10-4Pa以下开始升温，升温至300~800℃并保温1~2h进行脱脂，然后继续升温至1300~1500℃并保温0.2~4h进行烧结，保温结束后随炉冷却至室温。
上述技术方案中，制备得到梯度硬质合金的表面富粘结相梯度层厚度为10~1000μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用双喷头3D打印技术和真空烧结工艺结合的方式进行制备表面具有富粘结相梯度层的梯度硬质合金，有效的解决了梯度硬质合金传统制备工艺中需要添加碳氮化钛作为梯度形成组元且需要采用两步法烧结工艺获得表面富粘结相梯度层等工艺复杂、生产成本高的缺点，且间接性的缩短了制备周期，同时提高了对形状复杂的零件制坯技术难以把握的难题。
本发明方法包括原料配置、球磨、成型和烧结处理四个步骤，所述的成型步骤为将浆料放入3D打印成型设备中，根据所需梯度结构编程后通过计算机控制3D打印成型机，获得所需要的梯度结构硬质合金毛坯，然后经过真空烧结获得表面具有富粘结相梯度层的硬质合金。与传统制备方式相比，可以有效控制梯度结构的成分和厚度，并且简化生产工艺，降低生产成本。
传统的制造技术需要在球磨处理以后进行干燥、过筛和压制成型，而3D打印技术可直接从设计文档中获得指令来处理上述同样复杂的工序，更重要的是3D打印技术需要更少的操作技能和机械设备，可以用一台设备完成多项传统机械制造所需要的工序，还可以在偏远环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。3D打印技术在制造过程中产生的副产品较少，可以极大的减少原材料的过度使用和浪费，提高企业的节能减排意识。
本发明制备的表面具有富粘结相梯度层的梯度硬质合金中表面梯度结构、梯度层厚度以及梯度层中粘结相成分含量均可通过3D打印成型技术进行控制，可以提高硬质合金的整体性能。
本发明包括表面具有富粘结相层的梯度结构、芯部具有均匀组织的硬质合金基体以及制备方法。先采用3D打印成型技术获得所需要的梯度结构硬质合金毛坯，然后经过真空烧结处理，获得的表面具有富粘结相梯度层的梯度硬质合金，其中表面富粘结相梯度层的厚度为10-1000μm。
实施例1
本发明提出的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，其成分按质量百分比为： 10-18%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑，余量为WC，其金相组织是以WC和Co为芯部组成相，以钴为粘结相在表层形成30μm厚的富粘结相层。
本发明提出的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法按照以下步骤进行：
（1）根据所需梯度硬质合金成分进行配料，其中表面合金成分按按质量百分比为：81%WC、18%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑；芯部成分按质量百分比为：89%WC、10%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑。两种成分中添加的WC粉末的平均粒度为1.0μm，金属钨粉和炭黑的平均粒度为1.0μm，粘结金属Co粉末的平均粒度为1.0μm；
（2）将上述原料混合后分别加入湿式球磨机中湿磨，球料比为15:1，加入30%（体积分数）PEG黏结剂以及30%（体积分数）乙醇后进行湿磨，转速为180r/min，湿磨时间为72h，然后将浆料放入3D打印成型设备中，根据所需梯度结构编程后通过计算机控制3D打印成型机，获得所需要的梯度结构硬质合金毛坯；
（3）将料坯置于真空烧结炉中，将真空炉抽真空到10-2~10-4Pa以下开始升温，升温至750℃并保温1.5h进行脱脂，然后继续升温至1370℃并保温2h进行烧结，保温结束后随炉冷却至室温，得到表面富粘结相层厚度约为30μm的梯度结构硬质合金。
实施例2
本发明提出的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，其成分按质量百分比为： 8-12%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑，余量为WC，其金相组织是以WC和Co为芯部组成相，以钴为粘结相在表层形成100μm厚的富粘结相层。
本发明提出的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法按照以下步骤进行：
（1）根据所需梯度硬质合金成分进行配料，其中表面合金成分按按质量百分比为：87%WC、12%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑；芯部成分按质量百分比为：91%WC、8%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑。两种成分中的WC粉末的平均粒度为0.8μm，金属钨粉和炭黑的平均粒度为1.0μm，粘结金属Co粉末的平均粒度为1.0μm；
（2）将上述原料混合后加入湿式球磨机中湿磨，球料比为10:1，加入20%（体积分数）PEG黏结剂以及20%（体积分数）乙醇后进行湿磨，转速为150r/min，湿磨时间为60h，然后将浆料放入具有双喷头的3D打印成型设备中，根据所需梯度结构编程后通过计算机控制3D打印成型机，获得所需要的梯度结构硬质合金毛坯；
（3）将料坯置于真空烧结炉中，将真空炉抽真空到10-2~10-4Pa以下开始升温，升温至700℃并保温2h进行脱脂，然后继续升温至1400℃并保温1.5h进行烧结，保温结束后随炉冷却至室温，得到表面富粘结相层厚度约为100μm的梯度结构硬质合金。
实施例3
本发明提出的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，其成分按质量百分比为： 9-16%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑，余量为WC。其金相组织是以WC和Co为芯部组成相，以钴为粘结相在表层形成500μm厚的富粘结相层。
本发明提出的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法按照以下步骤进行：
（1）根据所需梯度硬质合金成分进行配料，其中表面合金成分按按质量百分比为：83%WC、16%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑；芯部成分按质量百分比为：90%WC、9%Co、0.5%金属钨粉和0.5%炭黑。两种成分中的WC粉末的平均粒度为1.2μm，金属钨粉和炭黑的平均粒度为1.0μm，粘结金属Co粉末的平均粒度为1.0μm；
（2）将上述原料混合后加入湿式球磨机中湿磨，球料比为10:1，加入40%（体积分数）PEG黏结剂以及40%（体积分数）乙醇后湿磨，转速为120r/min，湿磨时间为72h，然后将浆料放入3D打印成型设备中，根据所需梯度结构编程后通过计算机控制3D打印成型机，获得所需要的梯度结构硬质合金毛坯；
（3）将料坯置于真空烧结炉中，将真空炉抽真空到10-2~10-4Pa以下开始升温，升温至800℃并保温1h进行脱脂，然后继续升温至1430℃并保温1h进行烧结，保温结束后随炉冷却至室温，得到表面富粘结相层厚度约为500μm的梯度结构硬质合金。

Claims (8)

1.一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，其特征在于：采用3D打印成型技术获得所需梯度结构的硬质合金毛坯，然后经过真空烧结制备出表面具有富粘结相梯度层的梯度硬质合金。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的梯度硬质合金，其特征在于：
所述梯度硬质合金由表面梯度结构和芯部均匀组织两部分组成，且这两部分均由3D打印成型技术获得；
所述梯度硬质合金的表面富粘结相梯度层结构为钴含量从表面到芯部逐渐降低的富粘结相梯度层，该梯度层由WC和粘结相Co组成且钴含量显著高于合金芯部中标称钴含量，富粘结相梯度层的厚度为10~1000μm；
所述梯度硬质合金的芯部均匀组织由WC和Co组成，钴含量为均匀分布且等于其标称含量。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的梯度硬质合金，成分按质量百分比由下述原料组分制得：
6~20%Co、0~0.5%金属钨粉和0~0.5%炭黑，余量为WC。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）按权利要求3所述合金成分配比后加入到球磨机中，并加入1~60%（体积分数）PEG黏结剂以及1~60%（体积分数）乙醇后进行球磨；
（2）将湿磨后的浆料通过3D打印成型技术获得表面具有梯度结构的硬质合金毛坯；
（3）将坯体进行真空烧结处理，制备得到表面具有富钴梯度层的梯度硬质合金。
5.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的梯度硬质合金，其特征在于：所添加的WC粉末的平均粒度为0.8~1.6μm，Co粉末的平均粒度为1.0μm，其余粉末的平均粒度为1μm。
6.根据权利要求4所述的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，其特征在于：
所述步骤（1）进行湿磨时，球料比为（5~15）:1，转速为10~200r/min，湿磨时间为10~100h。
7.根据权利要求4所述的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，其特征在于：
所述步骤（2）的3D打印技术为：将浆料放入3D打印成型设备中，根据所需梯度结构编程并由计算机控制3D打印成型设备的喷头，获得所需要的梯度结构硬质合金毛坯。
8.根据权利要求4所述的一种基于3D打印的梯度硬质合金及其制备方法，其特征在于：
所述步骤（3）的真空烧结处理为：将成型后的梯度结构硬质合金毛坯置于真空炉中，将真空炉抽真空到10-2~10-4Pa以下开始升温，升温至300~800℃并保温1~2h进行脱脂，然后继续升温至1300~1500℃并保温0.2~4h进行烧结，保温结束后随炉冷却至室温。
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